前言

“serialX” 我起的名字，起個名字想破頭。
在前一篇文章里，大致提出了我的串口驅動框架理論。里面做了一些對串口驅動特性的幻想。也在 NUC970 芯片下通過了中斷模式的實踐驗證。但是，因為 NUC970 的 uart 自帶 fifo 。用它測試效果好，并不能真正說明驅動框架通過驗證了。

然后，緊接著筆者在 STM32F429 完成了中斷和 DMA 兩種模式。今天，我把一些測試結果和移植說明發出來，征求全網公測。

測試配置：DMA 二級緩存 32 個字節，串口收發緩存各 512 字節。

注：本串口驅動工作特性請參閱前一篇文章rt-thread 驅動篇（一） serialX 框架理論

STM32 中斷模式測試

以下是三組連續發收測試：

1. 定時間隔20ms，發送250字節數據，持續發送2600w，接收發送數據量相等

2. 定時間隔50ms，發送250字節數據，持續發送600w，接收發送數據量相等

3. 定時間隔80ms，發送1000字節數據，持續發送600w，接收發送數據量相等

注：剛剛跟我們小伙伴求證了一下，串口調試助手的定時間隔是固定周期。如果是這樣的，以上測試是有意義的，如果不是，那就沒達到串口帶寬上限。

STM32 DMA模式測試

1. 讀寫測試，串口調試助手定時 10ms ，發送40字節數據，持續發送129w

2. 串口調試助手定時 50ms ，發送500字節數據，持續發送527w

3. 串口調試助手定時 40ms ，發送500字節數據，持續發送261w

4. 串口調試助手定時 40ms ，發送1000字節數據，持續發送262w

串口調試助手上發送和接收數量不相等，接著我在代碼中添加了個斷點，單獨發送了一個字節 ‘Z’ 。

代碼中接收和發送數量相等，都等于串口調試助手的接收量。這個缺少的部分是串口調試助手發送失敗數量，還是串口驅動接收丟失了？

接下來，修改成中斷接收發送模式，其它不做修改進行相同的測試，也是有數量差。進一步檢查串口驅動里，接收緩存有溢出現象。應用層沒來得及把數據取走，就刪掉了最舊的數據。

接口詳解及移植說明

rtdef.h 添加幾個宏定義

添加阻塞打開相關標志

#define RT_DEVICE_OFLAG_BLOCKING        0x000           /**< blocking io mode */
#define RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING     0x004           /**< non-blocking io mode */
...

#define RT_DEVICE_CTRL_BLOCKING         0x05            /**< blocking io */

serialX.h

添加串口驅動緩存和 DMA 二級緩存大小定義（放棄使用 `RT_SERIAL_RB_BUFSZ`）：

#ifndef RT_SERIAL_FIFO_BUFSZ
#define RT_SERIAL_FIFO_BUFSZ            512
#endif
#ifndef RT_SERIAL_DMA_BUFSZ
#define RT_SERIAL_DMA_BUFSZ             32
#endif

串口接收和發送使用的緩存大小是一樣的，如果想改變串口緩存大小，請修改 `RT_SERIAL_FIFO_BUFSZ` 的值。

如果想改變 DMA 二級緩存大小，請修改 `RT_SERIAL_DMA_BUFSZ` 的值。

定義一個收發通用 fifo：

struct rt_serial_fifo
{
   rt_uint32_t buf_sz;
   /* software fifo */
   rt_uint8_t *buffer;
   rt_uint16_t put_index, get_index;

   rt_bool_t is_full;
};

重新定義 `rt_serial_device` 定義：

struct rt_serial_device
{
   struct rt_device          parent;
   const struct rt_uart_ops *ops;
   struct serial_configure   config;

   void *serial_rx;   // 串口接收緩存
   void *serial_tx;   // 串口發送緩存

#ifdef RT_SERIAL_USING_DMA       // 串口收發緩存和 DMA 使用的二級緩存分開
   rt_size_t dma_idx_rx;
   rt_uint8_t serial_dma_rx[RT_SERIAL_DMA_BUFSZ]; // DMA 接收緩存
   rt_uint8_t serial_dma_tx[RT_SERIAL_DMA_BUFSZ]; // DMA 發送緩存
#endif

   cb_serial_tx _cb_tx;  // 寫過程回調函數指針
   cb_serial_rx _cb_rx;  // 讀過程回調函數指針

   struct rt_completion completion_tx;    // 發送完成
   struct rt_completion completion_rx;    // 接收到新數據
};
typedef struct rt_serial_device rt_serial_t;

串口驅動通用框架和硬件底層接口定義

struct rt_uart_ops
{
// 用于配置外設寄存器，引腳功能復用，啟用外設等等
   rt_err_t (*configure)(struct rt_serial_device *serial, struct serial_configure *cfg);
   // 用于使能禁用中斷，初始配置 DMA
   rt_err_t (*control)(struct rt_serial_device *serial, int cmd, void *arg);
// 串口外設寫數據寄存器*為空*，把數據放入寫數據寄存器。*不為空*，死等
   int (*putc)(struct rt_serial_device *serial, char c);
   // 串口外設讀數據寄存器*不為空*，讀出讀數據寄存器的值。*為空*，返回 -1
   int (*getc)(struct rt_serial_device *serial);
// 啟動發送，多數是開啟串口外設發送寄存器空中斷
   void (*start_tx)(struct rt_serial_device *serial);
// 結束發送，多數是關閉串口外設發送寄存器空中斷
   void (*stop_tx)(struct rt_serial_device *serial);

#ifdef RT_SERIAL_USING_DMA
// 判斷 DMA 是否在發送過程中，就像上一篇里筆者多次提示的，必須有效檢測 DMA 是否在發送數據中
   rt_bool_t (*is_dma_txing)(struct rt_serial_device *serial);
   // 啟動 DMA 發送
   void (*start_dma_tx)(struct rt_serial_device *serial, rt_uint8_t *buf, rt_size_t size);
   // 停止 DMA 發送
   void (*stop_dma_tx)(struct rt_serial_device *serial);
#endif
// 使能串口外設中斷
   void (*enable_interrupt)(struct rt_serial_device *serial);
   // 禁用串口外設中斷
   void (*disable_interrupt)(struct rt_serial_device *serial);
};

移植 serialX 到新芯片上，必須按照 `rt_uart_ops` 的定義實現上述幾個接口。函數功能不能隨意更改。

`rt_hw_serial_isr`

這個中斷只接收 `RT_SERIAL_EVENT_RX_IND` `RT_SERIAL_EVENT_RX_IND` `RT_SERIAL_EVENT_RX_DMADONE` `RT_SERIAL_EVENT_TX_DMADONE` 四種中斷狀態。

• `RT_SERIAL_EVENT_RX_IND` 接收寄存器不空中斷
• `RT_SERIAL_EVENT_TX_DONE` 發送寄存器空中斷，為了兼容自帶 fifo 的芯片，event 參數的高三字節代表 fifo 容量
• `RT_SERIAL_EVENT_RX_DMADONE` 串口接收 DMA 中斷。 這個可以兼容接收半傳輸和全傳輸等多種中斷。event 參數的高三字節代表 DMA fifo 接收數據數量（1-RT_SERIAL_DMA_BUFSZ）。
• `RT_SERIAL_EVENT_TX_DMADONE` 串口發送 DMA 中斷。這個應該保證 DMA 發送完本次 DMA 緩存中的所有數據，也就是對于 stm32 芯片是 DMA 計數達到 0。

使用注意

• `RT_SERIAL_FIFO_BUFSZ` `RT_SERIAL_DMA_BUFSZ` 兩個的定義和實際是否合適，小數據量通信可以定義小點兒，數據量大的情況適當調整這兩個值。
• `rt_uart_ops` 接口定義，功能實現必須匹配。
• 阻塞模式，收發是一致的。默認是阻塞模式。想使用非阻塞模式請 open 的時候添加 `RT_DEVICE_OFLAG_NONBLOCKING` flag。
• 使用 `RT_DEVICE_FLAG_INT` `RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX` `RT_DEVICE_FLAG_INT_TX` `RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX` 四個 open flag 指定收發模式，是用中斷還是 DMA。
• **特別提醒**，非阻塞模式下，read 可能返回 0。write 返回值可能不是目標寫入 size。read/write 還可能返回 `RT_EXXX` 錯誤值。
• **特別提醒**，阻塞模式下，read 返回值可能不是期望數據量 size。筆者也曾經提供過可靠處理流數據的方案，詳見 rt-thread 使用寶典（2022-0516更新）

使用完成量進入阻塞漏洞分析

> PS: 謝謝 @HelloBye 的及時糾正，`rt_completion` 不存在本小節描述的漏洞。各位看官可以直接跳過本小節了。

串口驅動里有幾個阻塞點，進入阻塞都使用的 `rt_completion` ，如下代碼：

serial->ops->enable_interrupt(serial);
ret = rt_completion_wait(&(serial->completion_rx), RT_WAITING_FOREVER);// 或者 serial->completion_tx

首先開中斷，調用 `rt_completion_wait` 等待完成量進入阻塞。這樣是有個漏洞的，當開中斷后有個串口中斷，中斷處理函數里調用 `rt_completion_done` 是沒有任何反應的，`rt_completion_done` 直接返回退出。

進而回到原線程才執行 `rt_completion_wait`。之后，如果有第二次接收（或發送）中斷發生時才會結束上一次的阻塞。但是，第二次什么時候出現也就是個未知數了。即便前一次可能已經收全了全部想要的數據，但是會不定期阻塞下去。

解決方法有兩個：一、不用永久阻塞，換成 10ms 或者幾 ms 等待；二、用二值信號量替代。

但是?。?！我沒有用上述方法中的任何一個進行改進，原因是：

第一種方法無疑要引入一個循環，`rt_completion_wait` 超時返回的時候循環繼續阻塞。還有就是等待時間沒有理論支持。最重要的是用循環方式補漏洞的方式不美觀。

沒使用二值信號量的原因是，rt-thread 的信號量實現沒有真正的“二值”，如果中斷已經多次 release 了，然后應用層才來一次 take，之后還可能成功 take 多次（雖然應該是要阻塞的，但是實際不阻塞，反而會循環 take 多次）。

結束語

現筆者將打碼開放出來 gitee 倉庫 [serialX]( https://gitee.com/thewon/serialX )，求全論壇公測。期待各位大佬提出各種測試方案對它蹂躪。

有問題可以在倉庫里提 [issue]( https://gitee.com/thewon/serialX/issues ) ,或者到 rt-thread 官方論壇上進行討論。

審核編輯：湯梓紅